CN104753312A - 塞满钢块的开槽永磁调速器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塞满钢块的开槽永磁调速器及其制备方法，对永磁调速器中的导体盘进行了改进，提出了一种开槽导体盘的设计方法，即将开槽导体盘背后的钢盘设计成带有槽形状突出物的钢盘，突出的钢块正好插入到导体盘的梯形槽中，描述了塞满钢块的开槽磁路结构由于结构的复杂性，利用ANSYS软件对的开槽磁路结构进行二维动态仿真分析，研究了电磁场的分布规律，比较了无槽磁路结构、开槽磁路结构以及该结构的转矩特性曲线，经过总结：塞满钢块的开槽磁路结构能够有效地提高传动转矩约28％以上。

Description

塞满钢块的开槽永磁调速器及其制备方法

技术领域

本发明涉及永磁调速器领域，具体涉及一种塞满钢块的开槽永磁调速器及其制备方法。

背景技术

永磁调速器做为一种新兴节能调速装置，目前已经被广泛的应用到泵类和风机等行业中。其具有结构简单、设计紧凑以及经济效益等优势。与变频调速装置相比，永磁调速器采用了纯机械非接触性式结构，有效地消除了电力谐波污染、电磁干扰、避免电机与负载间振动的传递，真正实现了绿色节能。但其传动效率比变频调速装置略低。为了进一步提高永磁调速器的传动效率，必须对常规导体盘的结构进行改进，优化磁路、增加磁路中的磁通密度、减少结构漏磁。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了塞满钢块的开槽永磁调速器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

塞满钢块的开槽永磁调速器，包括电机端、由钢盘和导体盘组成的导体转子、铝盘和钕铁硼永磁体组成的永磁转子、负载端和上下两端对称设计的挡板，所述导体盘开有梯形槽，背后的钢盘设有若干凸出钢块，凸出钢块正好插入到导体盘的梯形槽中，构成导体转子，所述电机端连接由钢盘和导体盘组成的导体转子，所述负载端连接由铝盘和钕铁硼永磁体组成的永磁转子，所述导体转子和永磁转子之间隔开一定的空气间隙，所述负载端与气隙调节装置连接。

上述的塞满钢块的开槽永磁调速器通过以下方法制备：

S1、应用ANSYS有限元分析软件建立无槽结构永磁调速器的二维动态仿真模型，得到磁场分布情况；

S2、建立塞满钢块的开槽结构的二维动态仿真模型，通过与无槽结构进行数值对比，验证了塞满钢块的开槽结构的高效率；

S3、根据步骤S2所得的二维动态仿真模型在导体盘开设梯形槽，然后在钢盘开设槽形状突出块，将突出块插入到导体盘的梯形槽中，完成导体转子的制备；

S4、将步骤S3所得的导体转子与铝盘和钕铁硼永磁体组成的永磁转子、电机端、负载端、挡板按照永磁调速器的连接方式相连，得塞满钢块的开槽永磁调速器。

本发明具有以下有益效果：

对永磁调速器中的导体盘进行了改进，提出了一种开槽导体盘的设计方法，介绍了与开槽导体盘结构相匹配的永磁体选取与排列方式，描述了含有开槽导体盘的磁路结构；为了更进一步提升永磁调速器的效率，提出了一种塞满钢块的开槽导体盘设计方案，即将开槽导体盘背后的钢盘设计成带有槽形状突出物的钢盘，突出的钢块正好插入到导体盘的梯形槽中，描述了塞满钢块的开槽磁路结构由于结构的复杂性，利用ANSYS软件对的开槽磁路结构进行二维动态仿真分析，研究了电磁场的分布规律，比较了无槽磁路结构、开槽磁路结构以及该结构的转矩特性曲线，经过总结：塞满钢块的开槽磁路结构能够有效地提高传动转矩约28％以上。

附图说明

图1为本发明实施例一种塞满钢块的开槽永磁调速器的整体结构示意图。

图2为本发明实施例一种塞满钢块的开槽永磁调速器的局部解剖图。

图3为本发明实施例中导体转子结构的二维有限元仿真模型。

图4为本发明实施例中多层导体转子结构的磁力线分布图。

图5为本发明实施例中多层导体转子结构的磁通密度等值图。

图6为本发明实施例中多层导体转子结构的磁通密度矢量图。

图7为本发明实施例中塞满钢块的开槽磁路结构仿真模型。

图8为本发明实施例中塞满钢块的开槽磁路结构的磁力线分布图。

图9为本发明实施例中塞满钢块的开槽磁路结构的磁通密度等值图。

图10为本发明实施例中塞满钢块的开槽磁路结构的磁通密度矢量图。

图11为本发明实施例中永磁调速器实验平台的结构图。

图12为本发明实施例中开槽磁路结构的气隙长度-转矩特性曲线。

图13为本发明实施例中槽数对转矩的影响曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种塞满钢块的开槽永磁调速器，包括电机端4、由钢盘1和导体盘2组成的导体转子6、铝盘8和钕铁硼永磁体3组成的永磁转子7、负载端5和上下两端对称设计的挡板9，所述导体盘2开有梯形槽，背后的钢盘1设有若干凸出钢块10，凸出钢块10正好插入到导体盘的梯形槽中，构成导体转子6，所述电机端4连接由钢盘1和导体盘2组成的导体转子6，所述负载端5连接由铝盘8和钕铁硼永磁体3组成的永磁转子7，所述导体转子6和永磁转子7之间隔开一定的空气间隙，所述负载端5与气隙调节装置连接。

本发明实施例还提供了上述塞满钢块的开槽永磁调速器的制备方法，包括如下步骤：

S1、应用ANSYS有限元分析软件建立无槽结构永磁调速器的二维动态仿真模型，得到磁场分布情况；

S2、建立塞满钢块的开槽结构的二维动态仿真模型，通过与无槽结构进行数值对比，验证了塞满钢块的开槽结构的高效率；

S3、根据步骤S2所得的二维动态仿真模型在导体盘开设梯形槽，然后在钢盘开设槽形状突出块，将突出块插入到导体盘的梯形槽中，完成导体转子的制备；

S4、将步骤S3所得的导体转子与铝盘和钕铁硼永磁体组成的永磁转子、电机端、负载端、挡板按照永磁调速器的连接方式相连，得塞满钢块的开槽永磁调速器。

实施例

永磁调速器的解析模型

涡流产生的磁场是随时间变化的，属于时变场.低频下忽略位移电流效应，得到基本方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}\▿\×H=J\\ \▿\×E=-\frac{\∂B}{\∂t}\\ \▿\·B=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：H-磁场强度，A/m；J-传导电流密度，A/m2；B-磁通密度，T。

附加成分方程：

$\left\{\begin{array}{c}J=\mathrm{\σE}\\ B=\mathrm{\μH}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中σ-电导率；E-电场强度，V/m；μ-磁导率。

磁通密度B可由磁矢位A表示，表达式如下：

$B=\▿\×A---\left(3\right)$

由于在永磁调速器中没有源电流输入，求解区域中不存在源电流密度，只存在铜环表面的涡流密度。涡流密度的表达式如下：

采用A，Φ-A法建立涡流场的数学模型，求解区域因此也被分成涡流区V1、永磁区V2、空气区V3。每个区域的控制方程如下：

$V1:\▿\×(\frac{l}{\mathrm{\μ}}\▿\×A)+\mathrm{\σ}\▿\mathrm{\φ}-\mathrm{\σ}[V\×(\▿\×A)]=0$

$V2:\▿\×\frac{1}{\mathrm{\μ}}(\▿\×A-B_r)=0---\left(4\right)$

$V3:\▿\×\frac{1}{\mathrm{\μ}}(\▿\×A)=0$

式中：Br-永磁体的剩余磁通密度。由上述控制方程组可知，导体的运动速度V是常数且方程中没有关于时间t的导数。在求解区域的外边界施加通量平行边界条件，利用磁矢位A和标量电位Φ求解区域内的磁通密度B、电流密度J以及其他电磁场量。

无槽导体盘的建模及仿真分析

建模

按照相同的路径选取截面，建立与解析模型结构相同的二维有限元仿真模型，永磁调速器具体的仿真参数如表1所示，仿真模型如图3所示。进而利用ANSYS有限元软件对无槽结构的永磁调速器进行动态电磁仿真分析。对永磁调速器进行动态仿真分析时，可将其等效成气隙固定的永磁涡流耦合器进行瞬态分析，稳态时刻所取得的数据即为对应气隙下永磁调速器的仿真结果。

表1二维有限元模型的仿真参数

仿真分析

无槽结构的磁力线分布如图4所示。由图可知：磁力线从永磁体的N极出发，经过气隙、铜盘以及其背后的钢盘，到达相邻永磁体的S极，最后通过永磁体背后的钢盘构成闭合的主磁路。相邻永磁体之间存在些许横向漏磁，构成漏磁路。

无槽结构的磁通密度分布如图5及图6所示。由图可知：磁通密度在永磁体背后的钢盘内能够取得较大的数值，尤其在相邻永磁体的间隙区域最大；在钢盘与铜盘的永磁体投影区内，磁通密度随着纵向深度的增加逐渐减小。

塞满钢块的开槽导体盘的建模及仿真分析

建模

塞满钢块的开槽铜盘所形成的磁路结构如图7所示。由图可知，整个磁路结构由带有槽形状突出物的钢盘、开槽铜盘、空气间隙、铝盘、永磁体以及其背衬钢盘所组成。永磁调速器具体的仿真参数如表2所示，仿真模型如图7所示。

表2开槽磁路结构的二维仿真参数

结果分析

图8描述了塞满钢块的开槽磁路结构的磁力线分布。由图可知：由于磁路中突出钢块的存在，磁力线从永磁体的N极出发，经过气隙，绕过导体杆，直接由突出钢块进入开槽铜盘的背衬钢盘，到达相邻永磁体的S极，最后通过永磁体的背衬钢盘构成闭合的主磁路；相比于图4，经过修正的导体杆之间区域的磁场得到增强，有利于产生更大的传动转矩。

图9及图10描述了塞满钢块的开槽磁路结构的磁通密度分布。由图可知：磁通除了集中在永磁体的背衬钢盘外，还主要分布在开槽铜盘的背衬钢盘上，尤其是永磁体投影区中心处的突出钢块；在开槽铜盘中，磁通主要集中在导体杆表面的一薄层中，尤其是正对永磁体中心处的导体杆；相比于图5，塞满钢块的开槽磁路结构中的磁通密度得到了有效地提高。

实验测试

实验平台的总体结构如图11所示，主要设备包括基座板、变频器、交流电动机，永磁调速器样机，扭矩/转速仪，直流电动机以及直流调速器。其中：基座板主要起到支撑与固定的作用；交流电动机作为原动机，额定功率为15kw，额定转速为1455r/min；直流电动机与直流调速器模拟负载，额定功率为15kw；扭矩/转速仪用于测量永磁调速器输出的转矩与转速。

实验测试结果如图12所示，描述了塞满钢块的开槽磁路结构的转矩特性曲线。由图可知：相比于常规的无槽磁路结构，塞满钢块的开槽磁路结构无疑具有更高的效率；相比于无槽磁路结构，一个塞满钢块的开槽导体盘能够有效地提高传动转矩约28％以上。

图13描述了开槽铜盘的梯形槽数量对于传动转矩的影响。由图可知：随着梯形槽数的增加，传动转矩持续增大；如果梯形槽数过小，则开槽导体盘非但不能起到增大传动转矩的作用，相反还能减小传动转矩；梯形槽数只有在60以上时，开槽磁路结构的优越性才得以显现，此时该结构的传动转矩相比于常规无槽磁路结构有了明显提高。

综上所述，本具体实施对永磁调速器中的导体盘进行了改进，提出了一种开槽导体盘的设计方法，介绍了与开槽导体盘结构相匹配的永磁体选取与排列方式，描述了含有开槽导体盘的磁路结构；为了更进一步提升永磁调速器的效率，提出了一种塞满钢块的开槽导体盘设计方案，即将开槽导体盘背后的钢盘设计成带有槽形状突出物的钢盘，突出的钢块正好插入到导体盘的梯形槽中，描述了塞满钢块的开槽磁路结构由于结构的复杂性，利用ANSYS软件对的开槽磁路结构进行二维动态仿真分析，研究了电磁场的分布规律，比较了无槽磁路结构、开槽磁路结构以及该结构的转矩特性曲线，经过总结：塞满钢块的开槽磁路结构能够有效地提高传动转矩约28％以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.塞满钢块的开槽永磁调速器，其特征在于，包括电机端、由钢盘和导体盘组成的导体转子、铝盘和钕铁硼永磁体组成的永磁转子、负载端和上下两端对称设计的挡板，所述导体盘开有梯形槽，背后的钢盘设有若干凸出钢块，凸出钢块正好插入到导体盘的梯形槽中，构成导体转予，所述电机端连接由钢盘和导体盘组成的导体转子，所述负载端连接由铝盘和钕铁硼永磁体组成的永磁转子，所述导体转子和永磁转子之间隔开一定的空气间隙，所述负载端与气隙调节装置连接。

2.如权利要求1所述的塞满钢块的开槽永磁调速器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、应用ANSYS有限元分析软件建立无槽结构永磁调速器的二维动态仿真模型，得到磁场分布情况；

S2、建立塞满钢块的开槽结构的二维动态仿真模型，通过与无槽结构进行数值对比，验证了塞满钢块的开槽结构的高效率；

S3、根据步骤S2所得的二维动态仿真模型在导体盘开设梯形槽，然后在钢盘开设槽形状突出块，将突出块插入到导体盘的梯形槽中，完成导体转子的制备；

S4、将步骤S3所得的导体转子与铝盘和钕铁硼永磁体组成的永磁转子、电机端、负载端、挡板按照永磁调速器的连接方式相连，得塞满钢块的开槽永磁调速器。